Artikel Visserijnieuws – Maart 2022
Hoe NOx reduceren?
JOURE – Om te kunnen blijven vissen in Natura-2000 gebieden moeten kotters op korte termijn de uitstoot van stikstofoxide (NOx) aanzienlijk reduceren. Want de depositie (neerslag) van NOx moet minder zijn dan 0,005 mol N/ha/j voor een vergunning volgens de Natuurbeschermingswet.
Kroes Marine Projects studeerde op de vraag wat komt kijken bij ombouw en/of nieuwbouw van garnalenkotters. Deze studie is uitgevoerd opdracht van Lammert Bolt (schipper-eigenaar van de garnalenkotter ZK 14), de Nederlandse Vissersbond, Vereniging Kottervisserij Nederland en de Garnalen-PO Rousant. De studie keek allereerst wat minimaal vereist is om qua NOx-uitstoot snel te voldoen aan de regionale eisen. Tevens zijn oplossingen beschreven om nul-uitstoot van schadelijke stoffen te bereiken. De studie moest inzicht geven in de gevolgen ervan voor eigenaar, schip en het vaarprofiel. Voorbeeldschip was de garnalenkotter ZK14 van Bolt. De 23,5 meter lange ZK 14 werkt voornamelijk op de Waddenzee en maakt tevens langere tochten naar Duitse en Deense wateren. Zij heeft een hoofdmotor met een afgesteld vermogen op de schroefas van 220 kW bij 1.600 omw./min. Een aangebouwde hydraulische pomp genereert het hydraulisch vermogen. Het elektrische vermogen komt van een generatorset met een vermogen van 52kW bij 1.500 omw./min. De garnalenkookpot heeft eigen verwarming, bestaande uit een ecoflam-brander van maximaal 125 kW. Bij de laatste refit kreeg het schip een straalbuis om de schroef, wat een beduidend hogere trekkracht bij lagere snelheden opleverde. Een revisie van de hoofdmotor is aanstaande en wordt meegenomen in de (financiële) overwegingen voor ombouwoplossingen, omdat vroegtijdige ombouw deze revisie wellicht overbodig maakt. Het vaarprofiel omvat stomen naar de visgronden (inclusief koeling van het visruim en opwarming van de kookpot), netten halen, vissen en verwerken. Gemiddeld wordt 4,5 dag per week gevaren. Het totale dieselverbruik van generatoren, hoofdmotor en kookpot bedraagt 1.250 liter/dag. Dit is globaal teruggerekend 201,6 kWh, waarbij een gemiddeld brandstofverbruik van 217 g/kWh en een soortelijk gewicht gasolie van 840 kg/m3 werd gebruikt.
Tot recent vrij onbekend met de achterliggende oorzaken van ‘de stikstofcrisis’ en de uitdaging waarvoor de garnalenvisserij stond ging er een wereld voor ons open. Wat snel duidelijk werd was de urgentie om duidelijkheid en inzicht te verschaffen in de problematiek van stikstofdepositie en met een werkbare oplossing voor deze vissers te komen, hun toekomst en het milieu ligt in de weegschaal. Ook leerden we dat er enorm veel plichtbesef bij de vissers zelf was, dat er iets moest veranderen, er blijkt een grote welwillendheid van de vissers om innovatieve oplossingen te omarmen en te investeren in een duurzame vorm van visserij. Zij hebben tenslotte direct baat bij een gezonde natuur.
‘Als er maar duidelijkheid komt en snel’, zeiden de meesten.
Duidelijkheid en een werkbare oplossing op korte termijn. Daarmee gingen wij aan de slag!
— Onderzoeker Kroes Marine Projects
Opties verduurzaming
Om emissies te verlagen zijn er drie benaderingen: schonere en zuinigere motoren, alternatieve brandstoffen en/of energiedragers en alternatieve aandrijvingen. Heeft de keus van energiedrager (diesel/biodiesel/methanol/waterstof) vooral effect op uitstoot van fijnstof (PM), koolmonoxide (CO) en koolwaterstof (HC), daar beïnvloedt de ‘wijze van energieomzetting’ (verbranding of elektrochemische omzetting) vooral de NOx-uitstoot. Een vrij snelle en eenvoudige oplossing is de ZK 14 te voorzien van een SCR systeem, ofwel een katalysator (selectieve katalytische reductie). Zo’n katalysator kan de NOx-uitstoot met ruim 75 procent, de uitstoot van fijnstofdeeltjes (PM) met 80 procent en van koolmonoxide (CO) met 70 procent terugbrengen. Tweede snelle oplossing is uitwisseling van de bestaande hoofdmotor voor nieuwe motoren (NRMM Stage V), al dan niet gecombineerd met een elektrische aandrijving op de schroefas en schonere brandstoffen. Uitgaande van de emissiewaarden van een onderzochte Stage-V verbrandingsmotor (0,4 g/kWh) stoot een Stage-V motor 95 procent minder NOx uit dan de huidige verbrandingsmotor. De fijnstofuitstoot daalt ook met ruim 95 procent en koolmonoxide met 70 procent. Toepassing van methanol als energiedrager in een verbrandingsmotor doet de NOx-uitstoot met bijna 75 procent dalen. Fijnstofuitstoot is er niet meer en koolmonoxide neemt af met 95 procent.NOx-uitstoot hangt vooral af van de verbrandings- en nabehandelingstechniek, maar bij gebruik van methanol als energiedrager wordt de NOx-emissie ook zonder nabehandelingstechniek (SCR-unit) al veel lager. Overstap op een brandstofcel, dan wel methanol of (direct)waterstof, doet alle waarden van NOx, PM, CO en HC (koolwaterstof) tot nul dalen.Kleine schepen
Conclusie kan zijn dat de vloot direct overstapt van een verbrandingsmotor op een brandstofcel om nul uitstoot te bereiken. Echter de scheepseigenschappen, vaarprofiel, regelgeving, beschikbaarheid van energiedragers en financiële gevolgen maken het minder eenvoudig. Groen geproduceerde methanol en waterstof zijn zeer beperkt verkrijgbaar, volumebeperkingen maken toepassing van waterstof op de ZK 14 zeer ingewikkeld, en voorwaarden voor opslag van zowel methanol en in grotere mate van waterstof hebben zeer ingrijpende gevolgen voor systemen en constructies. Tegelijkertijd zijn de ontwikkelingen op het gebied van schonere motoren, alternatieve (duurzaam te produceren)energiedragers, maar ook brandstofcellen in volle gang. Er zijn al maatregelen mogelijk die emissies significant reduceren. Ook is de ‘meest wenselijke technologie’, wellicht de brandstofcel, op korte termijn en in bestaande schepen fysiek, logistiek, financieel en regelgeving technisch nog lastig in te passen. Huidige technieken en ontwikkelingen rond brandstofmotoren en katalysatoren reduceren emissies, maar of ze wetgevers kunnen overtuigen dat ze afdoende zijn voor verlenging/verlening van de Nb-wetvergunning, vergt aanvullend onderzoek. De resultaten daarvan geven wellicht aan welke aanpassingen nodig zijn voor wat betreft emissies, vaarprofiel (visuren/visgebieden), sanering van de vloot, financiering en wetgeving om een oplossing te vinden voor de NOx depositie.
Voorlopige conclusies
Kroes concludeert dat de route op basis van reguliere verbrandingsmotoren voorlopig mogelijk en aantrekkelijk blijft. Nieuwe, schonere verbrandingsmotoren worden beter beschikbaar. Ook ontwikkelt zich de keten van Hydrotreated Vegetable Oils (HVO) als alternatief of aanvulling op de fossiele varianten van diesel. Katalysatoren kunnen aanvullend op deze motoren oplossingen bieden voor de stikstofeisen in Natura 2000-gebieden vanaf 2023. Kroes bekeek geëlektrificeerde aandrijfsystemen als alternatief voor de verbrandingsmotor. Die kunnen worden gevoed door gebalanceerde energievoorzieningen op basis van accu’s en waterstofbrandstofcellen. De opslag aan boord van nieuwe energiedragers verschilt. Waterstof lijkt in gecomprimeerde gasvorm geschikt voor dagtrips en methanol in vloeibare vorm voor meerdaagse trips. Als deze rendabel toepasbaar zijn, adviseren wij de op waterstof gebaseerde brandstofcelsystemen en tanks bovendeks (achter de stuurhut) te plaatsen. Voor methanol (low-flashpoint-fuels) zijn deze maatregelen minder ingrijpend en kunnen de tanks onderdeks.
De gekozen brandstofcellen zijn gebaseerd op hoge temperaturen gecombineerd met methanolreforming. Een combinatie die zorgt voor een eenvoudig systeemontwerp met een hoge energieconversie-efficiëntie. Bij de gekozen Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is een reformer voor omzetting naar waterstof geïntegreerd.
Kapitaalinvesteringen
De huidige motor + SCR is voor de ZK14 wellicht een optie wat betreft de NOx uitstoot. Een SCR-unit en aanpassingen aan het uitlaatsysteem gaan zo’n 20.000 euro kosten. Omdat de eigenaar van de ZK 14 moet kiezen tussen een motorrevisie of aanschaf van een schone motor is het de vraag hoe de investering in een SCR-unit zich verhoudt tot aanschaf van een veel zuiniger en schoner alternatief, mogelijk tegen bijna dezelfde kosten als een revisie + SCR. Een Stage V-motor Type-A kost zo’n 55.000 euro. De engineering en ombouwwerkzaamheden betreffen vooral de fundaties en voorzieningen voor het uitlaatgassen nabehandelingsysteem. De investering van 85.000-100.000 euro moet worden afgezet tegen de te verwachten brandstofbesparingen. Een Stage V-dieselmotor / HVO 100 inclusief elektromotor. Naast de kosten van een Stage V-motor komt een extra investering in elektromotor en accupakket. Dat brengt deze configuratie op in totaal 300.000 à 350.000 euro. Een methanol verbrandingsmotor vergt naast de basisinvestering van 117.000 euro aanpassingen aan de bunker, leiding- en opslagsystemen ter waarde van ongeveer 125.000 euro aan engineering en inbouw plus een extra 75.000 à 85.000 euro aan systemen (tanks, leidingwerk, ventilatie en uitlaatsysteem). Een hybride systeem, inclusief elektromotor en accupakket, voegt daar nog zo’n 175.000 euro aan toe. Vanwege de complexiteit kan de totale investering oplopen tot een half miljoen. Methanol brandstofcellen zijn nog in ontwikkeling, maar een brandstofcel biedt een oplossing voor de kostbare investeringen en uitdagingen van waterstofopslag. Evengoed zijn aanzienlijke investeringen nodig voor vervanging van leidingwerk, installatie van veiligheidssystemen, ventilatie en aanpassing van tanks. Deze aanpassingen zijn zeer goed uit te voeren op de ZK 14. Bovendien zijn gecertificeerde brandstofcellen op korte termijn beschikbaar. Keur door klasse en het ombouwproces ten opzichte van niet-gecertificeerde oplossingen wordt daardoor goedkoper dan ombouw naar H2-brandstofcellen. H2-Brandstofcellen zijn nog erg kostbaar vanwege de complexiteit en gebruik van dure materialen als platinum. De opslag van waterstof is eveneens een flinke kostenpost vanwege inbouw van prijzige hogedruktanks. Ook het (naderhand) inbouwen van de veiligheidsvoorzieningen en constructieve cascoaanpassingen zijn duur. Met de snelle ontwikkelingen in brandstofceltechnologie, de stimulansen vanuit overheden en opschaling/massafabricage van compactere systemen zal de prijs van een brandstofcel de komende vijf jaar aanzienlijk doen dalen.
Engineering, ombouwen systemen
Voor alle onderzochte configuraties is na specificatie en berekening van voorstuwing en hulpbedrijf meer of minder engineeringwerk nodig. Onderstaande bedragen voor ombouw betreffen alleen geschatte uren voor cascowerk, inclusief klein materiaal/exclusief componenten en inkoop. Bedragen van de systemen motor/brandstofcel, accupakket en elektromotor zijn gebaseerd op cijfers van toeleveranciers. Bedragen voor overige systemen zijn vooralsnog algemene ramingen.
Operationele kosten
HVO100 is ruim dertig procent duurder dan gasolie. Opschaling van productie lijkt hand in hand te gaan met de groeiende vraag naar duurzaam geproduceerde diesel. De verwachting is dan ook dat de prijs van ‘groene diesel’ voorlopig niet daalt. Het prijsverschil met fossiele brandstoffen zal mogelijk wel afnemen door fiscale maatregelen, stijgende dieselprijzen, beprijzing van CO2-emissie en CO2-belasting. Qua kosten kan groene methanol nog niet met diesel concurreren. Opschaling, verbeteringen van het productiesysteem en verlies van fiscale voordelen van diesel zullen dat veranderen. De kosten van (grijze) waterstof, momenteel nog zo’n € 10/kg, zal bij toename van aanbod in 2022 vermoedelijk halveren. Andere vormen van waterstofproductie en -opslag veranderen de komende jaren het ‘brandstofcellandschap’
drastisch, waarbij opschaling de prijzen zal drukken. Vooralsnog zullen, mocht de ZK 14 op waterstof gaan varen, de brandstofkosten aanzienlijk hoger liggen dan van diesel en/of HVO.
In vergelijking met een SCR-unit op de huidige motor of installatie van een Stage V-motor zal toepassing van methanol in een brandstofmotor of brandstofcel, wellicht op korte termijn meer inspecties, afstelling en service tot gevolg hebben. Over de onderhoudskosten voor deze vrij nieuwe systemen willen/kunnen leveranciers nog geen uitspraken doen. Het aandeel onderhoudskosten in de totale operationele kosten zijn daarom buiten beschouwing gelaten en komen in een volgend project bij de bestek- en engineeringfase aan bod.
Aanvullend onderzoek
Indien de nader uit te voeren TNO berekeningen van de diverse systemen uitwijzen dat een Stage V-motor of een methanol-brandstofmotor niet aan de NB-wetvergunningeisen (NOx-depositie) kan voldoen en een brandstofcelconfiguratie (zoals methanol of ‘direct’ waterstof) de enige oplossing is, dan is een goede afweging tussen ombouw en nieuwbouw nodig. Nieuwbouw biedt het voordeel dat een efficiënter lijnenplan en een lichter schip direct invloed hebben op verbruik, emissies en operationele kosten. Volumebeperkingen van bijvoorbeeld waterstof en veiligheidsmaatregelen zijn vele malen eenvoudiger op te lossen in een schip ontworpen voor gebruik op brandstofcellen. Aanvullend onderzoek en depositieberekeningen door TNO en bureau WING (AERIUS-berekeningen) van de voorgestelde systemen voor om- en nieuwbouw moeten aantonen wat dé transitieoplossing voor de garnalenvloot op korte en lange termijn is, aldus Kroes.
